600MW直接空冷機(jī)組風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速優(yōu)化

李慧君，劉學(xué)敏

(華北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，河北省保定市 071003)

600MW直接空冷機(jī)組風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速優(yōu)化

李慧君，劉學(xué)敏

(華北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，河北省保定市 071003)

直接空冷機(jī)組風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與其排汽壓力緊密相關(guān)，故直接影響機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。因此，基于環(huán)境溫度、風(fēng)速及風(fēng)向等影響因素，確定最佳風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，對實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗具有較大意義。以某600 MW直接空冷機(jī)組為例，建立風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，通過分別確定風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與排汽壓力的關(guān)系及汽輪機(jī)功率背壓特性，得到目標(biāo)函數(shù)值，利用適當(dāng)?shù)膬?yōu)化算法確定最佳風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。結(jié)果表明：隨著環(huán)境溫度或風(fēng)速或機(jī)組負(fù)荷的增加，排汽壓力逐漸提高，進(jìn)而最佳風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速也隨之增大，反之降低；當(dāng)環(huán)境溫度高于20 ℃時(shí)，對風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的影響較為突出；環(huán)境風(fēng)向?qū)︼L(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速也具有一定影響，其最佳值在x風(fēng)向下最高，在主導(dǎo)風(fēng)向下最低。

直接空冷機(jī)組；最佳風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速；環(huán)境因素；排汽壓力

0 引 言

隨著國內(nèi)電力市場開放和電力體制改革，在煤炭價(jià)格大幅上漲和嚴(yán)格執(zhí)行排放標(biāo)準(zhǔn)等形勢下，“降低供電煤耗，提高經(jīng)濟(jì)效益”也已成為各電廠經(jīng)營的立足點(diǎn)。長期的電力運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行參數(shù)是提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的有效途徑之一[1]。因此，深入研究火電廠運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化，提高其生產(chǎn)過程的能源轉(zhuǎn)換效率，對實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗具有較大意義，同時(shí)對我國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有重大的戰(zhàn)略意義。

由于直接空冷機(jī)組節(jié)水率高達(dá)65%，廣泛應(yīng)用于富煤缺水地區(qū)，自2003年以來，國內(nèi)200，300，600 MW等級空冷機(jī)組相繼投運(yùn)，且運(yùn)行狀況良好[2-4]。但由于空氣傳熱能力較低，使空冷機(jī)組排汽壓力較高，進(jìn)而導(dǎo)致煤耗較大。

影響直接空冷機(jī)組排汽壓力的主要因素包括排汽熱負(fù)荷、環(huán)境條件及空冷島風(fēng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速[5]。考慮環(huán)境因素影響，優(yōu)化風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速是提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的有效途徑之一。席新銘等通過理論計(jì)算對直接空冷系統(tǒng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行進(jìn)行了分析，但未能考慮環(huán)境風(fēng)的影響[6]。夏瑞春等通過對空冷島風(fēng)機(jī)電耗進(jìn)行分析，對風(fēng)機(jī)優(yōu)化運(yùn)行提出了建議[7]。李海宏通過對空冷凝汽器進(jìn)行數(shù)值模擬，確定了風(fēng)機(jī)最佳運(yùn)行方式[8]。郭民臣等通過對冷端系統(tǒng)進(jìn)行變工況計(jì)算，在考慮環(huán)境溫度影響下，確定機(jī)組最佳排汽壓力[9]。

本文以某600 MW超臨界直接空冷機(jī)組為例，在考慮環(huán)境風(fēng)影響下，建立最佳風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速目標(biāo)函數(shù)，通過凝汽器變工況計(jì)算和確定風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)，得到不同工況和環(huán)境條件下的最佳風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，以提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。

1 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速優(yōu)化模型

在機(jī)組負(fù)荷和環(huán)境條件一定時(shí)，提高風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，可降低排汽壓力，在沒有超過阻塞背壓的前提下，機(jī)組功率將隨著排汽壓力的降低而增大，同時(shí)風(fēng)機(jī)消耗功率也隨之增加。因此，增大風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速得到的發(fā)電功率的增量與對應(yīng)風(fēng)機(jī)耗功之差取最大值時(shí)，所對應(yīng)的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速即為最佳值，建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為

(1)

式中：ΔPe為增大風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速后機(jī)組功率的增量，W；N為風(fēng)機(jī)耗功，W；n為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；nd為風(fēng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速，r/min；ta為環(huán)境溫度，℃；vf為環(huán)境風(fēng)速，m/s。

2 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速優(yōu)化

由式(1)可知，確定最佳風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，需分別計(jì)算機(jī)組功率增量和風(fēng)機(jī)耗功，步驟如下：

(1)確定無環(huán)境風(fēng)時(shí)風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)。假定風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為n，根據(jù)風(fēng)機(jī)比例定律，得到無環(huán)境風(fēng)影響時(shí)，轉(zhuǎn)速n和環(huán)境溫度ta下風(fēng)機(jī)性能曲線和空冷系統(tǒng)阻力特性曲線，其交點(diǎn)為風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)，兩線方程分別為

(2)

(3)

式中：ps為風(fēng)機(jī)靜壓，Pa；Ga為風(fēng)機(jī)空氣流量，kg/s；ta0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下環(huán)境溫度，℃；ρa(bǔ)為實(shí)際環(huán)境狀態(tài)下空氣密度，kg/m3；Δps為空氣通過空冷單元時(shí)的壓降，Pa。

(2)確定環(huán)境風(fēng)影響下風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)。當(dāng)有環(huán)境風(fēng)影響時(shí)，設(shè)風(fēng)速為vf，將導(dǎo)致空冷單元進(jìn)、出口阻力增加，即空冷系統(tǒng)阻力特性曲線上移，其上移量即由環(huán)境風(fēng)造成的壓力損失δ[10]為

(4)

聯(lián)立式(2)～(4)，可得環(huán)境風(fēng)影響下空冷系統(tǒng)阻力特性曲線方程，即

(5)

式中：Gan、psn分別為聯(lián)立式(2)、(3)所得到的無環(huán)境風(fēng)時(shí)風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)相對應(yīng)的流量、靜壓，kg/s、Pa。聯(lián)立式(2)、(5)可得環(huán)境風(fēng)影響下風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)。

(3)由風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)確定風(fēng)機(jī)耗功[11]為

(6)

式中：pt為風(fēng)機(jī)全壓，Pa；η為風(fēng)機(jī)效率；ηg為原動(dòng)機(jī)效率；ηtm為傳動(dòng)效率。

(4)確定空冷單元散熱器傳熱系數(shù)。對于直接空冷凝汽器換熱管，忽略管內(nèi)換熱熱阻和管壁熱阻，以管外熱阻為主；且近似認(rèn)為流體物性參數(shù)保持不變[12]。因此，實(shí)際運(yùn)行工況下傳熱系數(shù)可根據(jù)設(shè)計(jì)值確定，即

(7)

式中：K為散熱器的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；vn為散熱器迎面風(fēng)速，m/s；Ga為風(fēng)機(jī)空氣流量，kg/s；下角標(biāo)“d”表示設(shè)計(jì)工況數(shù)據(jù)。

(5)確定汽輪機(jī)排汽壓力。該值可由凝汽器壓力和汽輪機(jī)排汽口到凝汽器入口間的主要損失計(jì)算得到[6]。其中，凝汽器壓力可近似認(rèn)為等于其內(nèi)蒸汽壓力，而確定該值的關(guān)鍵是首先計(jì)算凝汽器蒸汽凝結(jié)飽和溫度ts[13]，再對所有空冷單元進(jìn)行累加，即

(8)

式中：Qc為排汽熱負(fù)荷，W；cp為空氣的定壓比熱，J/(kg·K)；Fi為空冷單元散熱器的傳熱面積，m2。

結(jié)合汽輪機(jī)排汽口到凝汽器入口間的主要損失，確定機(jī)組排汽壓力為

(9)

式中：ΔP1為由排汽管道、彎頭及閥門等造成的壓力損失，Pa；ΔP2為由水蒸汽柱引起的壓差，Pa。

(6)確定機(jī)組功率增量。根據(jù)機(jī)組末級排汽面積和排汽流量，利用汽輪機(jī)功率背壓特性通用算法確定排汽壓力與發(fā)電功率增量的關(guān)系[14-15]，進(jìn)而得到風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速n所對應(yīng)的機(jī)組功率增量，即

(10)

式中：Gc為機(jī)組排汽量，kg/s；hd*、h*分別為設(shè)計(jì)工況和變工況下機(jī)組排汽滯止焓，J/kg。

(7)根據(jù)步驟(1)～(6)的計(jì)算結(jié)果，確定優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)值。

同理，在考慮環(huán)境因素影響下，可確定任意風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速所對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值；利用適當(dāng)?shù)膬?yōu)化方法，最終確定不同工況和環(huán)境條件下最佳風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，因受風(fēng)機(jī)調(diào)速范圍的限制，可能使機(jī)組背壓低于阻塞背壓，此時(shí)通過停運(yùn)部分風(fēng)機(jī)，重新確定最佳風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速優(yōu)化計(jì)算框圖如圖1所示。

圖1 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速優(yōu)化計(jì)算框圖

2 計(jì)算實(shí)例

某600 MW超臨界直接空冷機(jī)組其風(fēng)機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 空冷單元主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 計(jì)算結(jié)果

在不同環(huán)境溫度、風(fēng)速及風(fēng)向條件下，對100%、75%、50%及30%負(fù)荷工況進(jìn)行計(jì)算。其中環(huán)境風(fēng)向如圖2所示；以x風(fēng)向?yàn)槔?，最佳風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖2 環(huán)境風(fēng)向示意圖

圖3 x風(fēng)向下各工況最佳風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速

為分析環(huán)境風(fēng)向?qū)︼L(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的影響，以75%和30%負(fù)荷為例，環(huán)境風(fēng)速為3 m/s時(shí)，x、y及主導(dǎo)風(fēng)向下，風(fēng)機(jī)最佳轉(zhuǎn)速計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 不同風(fēng)向和工況下的最佳風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速

2.2 結(jié)果分析

對于直接空冷機(jī)組而言，影響風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的主要因素為機(jī)組負(fù)荷、環(huán)境溫度、風(fēng)速及風(fēng)向等。

(1)在給定機(jī)組負(fù)荷條件下，隨著環(huán)境溫度或風(fēng)速的提高，風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)量減小，空冷系統(tǒng)換熱性能下降，為保證機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，最佳風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨之提高，如圖3所示；且在環(huán)境溫度高于20 ℃時(shí)，其對風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的影響較為突出。

(2)在環(huán)境條件一定時(shí)，隨著機(jī)組負(fù)荷的增加，最佳風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸提高。

(3)其他影響因素一定時(shí)，環(huán)境風(fēng)向不同，最佳風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速也將隨之改變。x風(fēng)向與y風(fēng)向相比較，由于其處于迎風(fēng)面的風(fēng)機(jī)數(shù)量較多，故最佳風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高；而在主導(dǎo)風(fēng)向下，雖受影響的風(fēng)機(jī)數(shù)量增多，但根據(jù)FLUENT模擬風(fēng)場入口速度設(shè)置，可知該風(fēng)向下風(fēng)速在x、y方向分量減小，故其對應(yīng)最佳風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低，如表2所示。

3 結(jié) 論

(1)直接空冷機(jī)組排汽壓力將直接影響其運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性，而風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速是決定排汽壓力的直接因素。因此，考慮機(jī)組負(fù)荷、環(huán)境溫度、風(fēng)速及風(fēng)向等影響因素，優(yōu)化風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和保證其安全性具有一定意義。

(2)本文考慮環(huán)境因素影響，建立最佳風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速目標(biāo)函數(shù)，按照風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速優(yōu)化計(jì)算步驟，確定各工況最佳風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

(3)隨著機(jī)組負(fù)荷或環(huán)境溫度或風(fēng)速的增加，最佳風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸提高；除環(huán)境風(fēng)向外其余影響因素一定時(shí)，最佳風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速在x風(fēng)向下最高，在主導(dǎo)風(fēng)向下最低。

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(編輯：蔣毅恒)

FanSpeedOptimizationfor600MWDirectAir-CoolingUnits

LI Huijun, LIU Xuemin

(School of Energy and Power Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, Heibei Province, China)

The fan speed of direct air-cooling unit related with exhaust pressure directly affects unit’s operation economy. Therefore, it is important to determine the optimal fan speed for energy saving, considering the influences of environmental temperature, wind velocity, wind direction and so forth. Taking a 600 MW direct air-cooling unit as example, the objective function of fan speed optimization was developed. The value of objective function was obtained through the relationship of fan’s working point, speed and exhaust steam pressure, as well as the back pressure characteristics of turbine, and then the optimal fan speed was determined through appropriate optimization algorithm. The results show that exhaust pressure increases with the increase of environmental temperature, wind speed or unit load, which will make the optimal fan speed increase; the contrary decreases. When environment temperature is higher than 20 ℃, its impact on fan speed is more significant. Wind direction also has an influence on the optimal fan speed, whose maximum value appears in thexwind direction, and minimum value appears in dominant wind direction.

direct air-cooling unit; optimal fan speed; environmental factors; exhaust pressure

TK 262

： A

： 1000-7229(2014)06-0133-04

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.06.025

2013-12-06

：2013-12-20

李慧君(1964)，男，教授，研究方向?yàn)閺?qiáng)化換熱及數(shù)值計(jì)算、電廠熱力系統(tǒng)的節(jié)能理論與監(jiān)測診斷；

劉學(xué)敏(1988)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姀S參數(shù)優(yōu)化，E-mail：liuxuemin2011@126.com。